WLAN Leistungsmessungen


Leistungsangaben zu WLAN-Adaptern und tatsächliche Strahungsleistung

Im Prinzip ist die Stahlungsleistung eine simple Leistungsangabe, so wie man sie beispielsweise auch für Motoren findet. Aber bei WLAN-Adaptern ist diese Leistungsangabe tatsächlich kompliziert durch a) Länderspezifische Adapter-Versionen, b) verschiedene Treiber-Versionen und -Einstellungen sowie c) vom Betriebssystem länderabhängige Limitierungen, um die gesetzlichen Vorgabem im jeweiligen Land einzuhalten. Zur Vereinfachung wird im Folgenden nur das 2,4 GHz-Band verwendet, sofern nichts anderes angegeben ist.
Schon a) ist ein Problem, weil die Hersteller im Datenblatt und auf die Verpackung einen schön großen Wert schreiben, aber nicht verraten ob der jeweilige Adapter diese Leistung auch schafft oder schon hardwaremäßig gedrosselt wurde. Auch b) ist ein Problem, da viele Treiber versteckt drosseln oder ganz einfach die Leistungseinstellung nicht ändern um sicherzustellen das der Treiber gegen die gesetzlichen Limitierungen nicht verstößt. Oder es gibt ein technisches Problem wie das der Adapter nur prozentuale Leistungseinstellungen ermöglichst, wobei er nicht verrät vieviel denn 100 % sind, so das der Treiber einen Wert wie 100 mW = 20 dBm nicht einstellen kann. Ein Beispiel hierfür ist der Ralink-Treiber rt2800lib. Diese Treiber akzeptieren meist alle Leistungsvorgaben und melden zurück die Leistung entsprechend angepasst zu haben, nur um den Benutzer zu beruhigen. Das ist so wie mit den meisten "Tür zu"-Knöpfen in Fahrstühlen, insbesondere nordamerikanischen. Sie sind Fakes die Macht und Einfluss auf die Fahrstuhltür bzw. Sendeleistung bloß vorgegaukeln. Und c) ist nicht einfach, weil man die bei Reisen häufig ändern müsste, so das häufig von den Herstllern/Distributoren Regionalcode 00 eingestellt ist, also Minimal-Werte, die sicherstellen das in keinem Land Limitierungen überschritten werden.
Daneben muss man berücksichtigen das die Sendeleistung sowohl der WLAN-Adapter als auch der Booster generell auch vom verwendeten Standard (IEEE 802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11c ...) abhängt, wobei der Benutzer dies über die Geschwindigkeitseinstellung regeln kann, da die älteren und daher langsameren bei niedrigeren Geschwindigkeiten verwendet werden. Generell werden für die älteren höhere Sendeleistungen verwendet und im Datenblatt zum jeweiligen Adapter ist die Nennleistung nach den Standards aufgelistet.


Fertige Leistungsmesser vom Markt

Für die Leistungsmessung von WLAN-Adaptern gibt es auf dem Markt natürlich tausende Euro teure Leistungsmesser, aber praktisch nichts im Bereich von ungefähr hundert Euro. Bis 2012 gab es das SWR-Meter Redot 1050A für um 130 Euro, aber das gibt es nicht mehr auf dem Markt, weil die Produktion eingestellt wurde. Beim ungefähr gleich teuren RFExplorer zeigt sich zwar das man durch Integration bzw. Riemann-Summe über das gemessene Spektrum die Sendeleistung ermitteln kann, nur ist der Wert selbst für die Peak-Leistung um den Faktor 30 kleiner als die mit anderen Geräten gemessene Durchschnittsleistung! Das heißt dem RFExplorer fehlt zumindest eine Kalibrierung, wenn er denn überhaupt zur Leistungsmessung geeignet ist.

Naheliegend sind HF-Tastköpfe als Erweiterung eines Digitalmultimeters, aber da sie meist nur bis 1 GHz reichen, sind auch sie in den allermeisten Fällen ungeeignet.

Eine grobe und sehr billige Leistungsmessung ermöglicht der Glühlampenindikator, ein simple Glühlampe, die aber für die geringen WLAN-Leistungen sehr klein sein muss, elektrisch nur 1,5 V / 15 mA, also 22,5 mW:
free WiFi
Zum Anschließen reicht ein Antennensockel mit zwei angelöteten Klemmen.
Durch die mehr oder minder große Fehlanpassung kann man damit die Leistung an einer Antenne mit 50 Ohm Impedanz nur nach oben abschätzen. Am Adapter WL0162 zeigt sich damit ein schwaches Leuchten, nachdem im Treiber alle Power-Register-Einstellungen auf Maximum gestellt sind, während die Adapter AWUSO51NH und AWUS050NH die Lampe in unter drei Sekunden druchbrennen. Das zeigt vom WL0162 ungefähr 22,5 mW an und von AWUSO51NH und AWUS050NH ein Vielfaches von 22,5 mW an. Dazu braucht man ein fast unterbrochenes Senden, mit einem flooding Ping zum Access Point, unter Linux: 
 
nice --20 ionice -c2 -n0 ping -q -s 484 -l 3 -p 0f1e2d3c4b5a6978 -f 192.168.1.1

Hier ist die Ping-Größe auf eine MTU von 512 abgestimmt, da hiermit schwache Verbindungen zuverlässiger sind und ein höherer Wert kein signifikantes mehr an genutzter Sendebandbreite bringt. Ein Nachteil von größeren Ping-Größen ist das zunehmend weniger Pakete empfangen werden, so das man die Sendeleistung vom Access Point nicht mehr messen kann. Bevor man eine andere Größe einstellt, sollte man das berücksichtigen.
Die Bandbreiten-Anzeige zeigt bei bei iwconfig oder iw eingestellten 1 Mbit/s ein Senden und Empfangen mit je um 75 kB/s.

Ist der Adapter so stark das der die Lampe in Sekunden durchbrennt, sollt man erstmal gedrosselt Pingen: 
 
ping -i 0.01 192.168.1.1

Unter Windows/Cygwin muss man den flooding Ping etwas anders angeben: 
 
nice --20 ping -f 192.168.1.1 4096 0 256

Und für maximale Sendeleistung sollte man 802.11b, also 1 Mbit/s einstellen. Unter Linux stellt man die Sendeleistung in dBm so ein: 
 
iwconfig wlan0 txpoer 27

Und hat der Adapter ein High-Power-Flag aktiviert man das so: 
 
iwpriv wlan0 highpower 1

Neben dem Ping, das TCP/ICMP verwendet, gibt es ähnliche Tools von denen einige andere Protokolle verwenden aber zumindest prinzipiell ebenso geeignet sind zur Leistungsmessung durch Flooding (und Messung des Mittelwerts): ping6, arping, httping, hping, bing, fping, mtr und pathping.


Halbfertige Leistungsmesser vom Markt

Am Markt findet man als eine Sorte halbfertige Leistungsmesser die Abschwächer. Sie haben genau 50 Ohm Impedanz und setzen, wenn sie um mindestens 30 dB abschwächen, mindestens 99,9 % der Leistung in Wärme um und die kann man mit einem Sensor wie einem PT1000 messen, in einer Wheatstone-Messbrücke:
WLAN-Bolometer
Da die Abschwächer meist für den Bereich 0 bis 6 oder 12,4 GHz spezifiziert sind, hat man damit eine sehr große Bandbreite. Nachteil dieses Bolometers, zu dem noch ein Labornetzteil und ein Digitalmultimeter zum Messen der Brückenspannung gehört, ist die große thermische Trägheit, wegen der man um eine Viertelstunde warten sollte bevor man den Wert abliest. Hinzu kommt die nicht große Genauigkeit durch thermische Driften aber Vorteil ist das man ganz einfach mit Gleichstrom kalibrieren kann, nach P = U * I. Zum Kalibieren verwendet man drei Punkte, wobei der Nullpunkt trivial ist, und erhält nach dem Gauß-Verfahren ein Polynom zweiten Grades, für die Spannung als Funktion der Leistung. Das reicht für die geringen Leistungen der WLAN-Adapter aus. Die Leistung erhält man entsprechend durch Lösen der quadratischen Gleichung, mit einem kleinen Programm, in das man die aus der Kalibierung bestimmten Parameter eintragen muss.


Die zweite Sorte halbfertige Leistungsmesser sind RF-Detektoren/HF-Detektoren, die HF-Leistung durch Gleichrichtung in eine Ausgangsspannung umsetzen. Es gibt sie aktiv, beispielsweise den IC AD8318, 1 MHz to 8 GHz, 70 dB Logarithmic Detector/Controller, High accuracy: ±1.0 dB over 55 dB range (f < 5.8 GHz) Stability over temperature: ±0.5 dB. Aber um die zu verwenden benötigt man einiges zusätztliches wie einen High Speed Comparator und weitere Bauelemente auf einer Leiterkarte und einem abgeschirmten Gehäuse, wobei der Aufbau HF-gerecht durchgeführt werden muss, d. h. auch die Widerstände und Kondensator müssen HF-Versionen für 1 MHz bis 5,8 GHz sein. Die zweite Sorte Detektoren sind passiv und daher billiger, so das man sie in billigen Mikrowellen-Lecktestern findet. Diese passiven sind im Wesentlichen Dioden-Gleichrichter und daher fast fertig, mit wenig Aufwand praktisch sofort einsetzbar, aber mit einem relativ kleinen Messbereich bezüglich der Leistung und nicht sehr genau, aber für die allermeisten Zwecke völlig ausreichend.
Ein Beispiel für einen passiven Detektor ist der 2013 um 25 Euro teure CPDETLS-4000 (CRYSTEK 1218-01), mit dem man im Bereich 10 MHz bis 4 GHz und -10 dBm bis +10 dBm Messen kann. Zur Messung der WLAN-Adapter-Leistung benötigt man einen 20 dB-Abschwächer am Eingang, für den Sendeleistungsbereich von 10 bis 30 dBm (10 mW bis 1 W), und einen glättenden Elko am Ausgang sowie Adapter um alles zusammenzuschrauben:
WiFi Detektor
Um die Leistung aus der Messspannung zu bestimmen muss man erstmal für die mittlere WLAN-Frequenz von 2,45 GHz die Tabellenwerte aus dem Datenblatt (linear) interpolieren um die Spannungen für -10 bis 10 dBm zu erhalten, die hinter dem 20 dB-Abschwächer 10 bis 30 dBm entsprechen. Durch lineare Interpolation nach der Messspannung erhält man dann die Leistung, von einem kleinen Programm, im 2,4 GHz-Band.
Im 5 GHz-Band gibt der Detektor rund doppelte Spannung aus, so das man den Detektor auch für grobe Messungen im 5 GHz-Band verwenden kann. Bei dem Dektor-Programm ist entsprechend die halbe Spannung einzugeben.

In der folgenden Tabelle sind einige mit dem CPDETLS-4000 und unter OpenSuSE 12.3 gemessene Ergebnisse aufgelistet, für das 2,4 GHz-Band:
       

Adapter

Nennleistung

[dBm]

Leistung mit kalibriertem Bolometer nach Warmlaufen gemessen

Leistung mit RF-Detektor nach Warmlaufen gemessen

Leistung mit RF-Detektor zu Beginn des  Warmlaufens gemessen

Leistung mit Glühlampen-

Indikator (13,5 dBm) gemessen

 

WL0162 +4 W Booster WIFIPA24504W

36

 

29

32,6

  

AWUS036NH

33

14,3

15,9

18,4

  

AWUS036NHR

33

19,7

22,1

23,6

  

AWUS036NEH

30

13,1

    

KS-G9000

30

20

    

WiFiStation Ext

30

21,7

    

AL-9684R

28

-9

-13

-11

  

AWUS050NH

27

23,3

24,9

25,4

  

AWUS051NH

27

22,6

24,1

24,9

>> 13,5, nach ca. 3 s durchgebrannt

 

WL0162

27

12,6

13,5

16,3

ca. 13,5, schwaches Glühen

 

WL0162 mit ungetuntem Treiber

27

 

7

10,5

<< 13,5, kein Leuchten

 

WL0162 +500 mW Pen Booster ARG1115bg

27

20,5

21,6

24,4

  

TL-WN422G

20

15,2

    
       
       
       
       
Der Treiber zum AL-9684R war zum Testzeitpunkt, Mai 2013, noch beta.
Die Genauigkeit des Bolometers beträgt ca. 2 %, da mit einem 4,5-stelligem DMM kalibiert wurde und der Interpolationsfehler bei 1 % liegt.
Beim Detektor, der im Gegensatz zum Bolometer nicht träge ist, sieht man wie die Adapter warmlaufen und danach Schwankungen von um die 10 % zeigen. Hinzu kommt das der Detektor nicht kalibriert ist und der Hersteller die Genauigkeit nicht angibt, so das man nach Mittelung der Schwankungen nach dem Warmlaufen wohl von einer Genauigkeit von 1 dBm (grob 25 %) ausgehen kann, da schon der Abschwächer 0,5 dB Ungenauigkeit hat.
Bei geringen Leistungen (<< 100 mW) macht sich der hohe Innenwiderstand vom Detektor störend bemerkbar, da bei geringen Leistungen der Elko mit einer Zeitkonstanten von über 10 s geladen wird, so das die Spannung minutenlang ansteigt bevor man den eingependelten Messwert ablesen kann. Diesen Prozess kann man beschleunigen indem man die Messung nicht mit entladenem Elko beginnt sondern mit vorgeladenem, z. B. nach Laden auf 50 mV. Damit kürzt man den Weg auf der Ladekurve ab.

Die Messwerte entlarven die Leistungsangaben zu den meisten Adaptern als Mythen, von denen die Realität weit entfernt ist. Es sieht zwar zwar schön aus wenn in den technischen Daten zu einem Adapter 1000 mW oder 2000 mW stehen und man kann damit Laien beeindrucken, aber real ist meist nur ein Zehntel davon vorhanden.
Beispielsweise zeigte der empfindliche Adapter WL0162 unter OpenSuSE 12.3 auch nach dem ersten Einstellen der für die Sendeleistung zuständigen Register auf Maximum statt 500 mW (27 dBm) nur 20 mW (13 dBm), also in Milliwatt gerechnet nur ein Fünfundzwanzigstel! Dagegen erreicht der AWUS050NH mit um 24 dBm immerhin die Hälfte seiner Nennleistung (27 dBm) und ebenso ist es mit dem 4 W Booster.
Erst nach dem zweiten Überarbeiten vom Treiber für den WL0162 konnte er mit seiner Nennleistung von 500 mW Senden.
Für die Praxis ergeben sich hieraus einige Tipps:
* Für höchste Sendereichweite ist der empfindliche WL0162 zusammen mit dem 4 W Booster WIFIPA24504W optimal, aber weil der bei 6 V bis zu 3 A (d. h. 18 Watt) benötigt sollte man dafür eine Steckdose in der Nähe haben und bei viel Traffic auf gute Kühlung achten. Es ist fraglich ob durch den Booster die Empfangsreichweite erhöht wird, weil der WL0162 sehr empfindlich ist, laut Datenblatt am Limit des Thermischen Rauschens, und weil der Booster dem verstärkten Eingangssignal eigenes Rauschen hinzu fügt. Für die meisten Anwendungsfälle ist daher der WL0162 mit seiner Sende-Nennleistung von 0,5 Watt (mit dem zweifach überarbeiteten Treiber) optimal.
* Empfehlenswert ist der AWUS051NH, der zwar unempfindlicher ist, aber den Vorteil hat das er ein Dualband-Adapter ist, also auch WLANs im 5 GHz-Band nutzen kann.

Die Sendeleistungen sind auch ohne Drosselung klein, denn Handies strahlen mit maximal 2 W (D-Netz) beziehungsweise 1 W (E-Netz) direkt am Kopf, die Sonne mit rund 1000 W pro Quadratmeter Erdoberfläche. Und ein Mikrowellen-Grill, der übrigens mit seinen 2,455 GHz genau zwischen Kanal 9 und 10 im 2,4 GHz-Band sendet, darf mit bis zu 0,1 % Leckleistung arbeiten, ein mittelmäßiger Mikrowellengrill (1 kW) also mit bis zu 1 Watt.


Level-Anzeigen

Für relative Messungen reichen die Level-Anzeigen aus, beispielsweise um verschiedene WLAN-Adapter, Kabel, Filter, Booster, Antennen, Antennen-Ausrichtunge und Antennen-Standorte zu vergleichen. Hierzu liest man vom Adapter den Level aus, der ganz grob gleich dem Level in dBm ist. Dafür benötigt man keine zusätzliche Hardware, man hat es inklusive/gratis und kann das Auslesen nebenbei machen. Unter Linux nimmt man dafür 
 
while true; do iwconfig 2>&1 | grep -i level; sleep 1; done

und unter MS-Windows hängt es vom Treiber ab und die 5-Balken-Anzeigen vom MS-Windows ist viel zu grob. Wichtig ist in jedem Fall eine Mittelwertbildung, da die Werte deutlich schwanken. Man sollte mindestens 10 Werte nehmen, besser mehr. Dafür gibt es auch dieses Programm, mit exponentiell gleitendem Mittelwert für Einstellungen wie Antennenausrichtungen.

Daneben gibt es die Level-Anzeige meist auch beim Router. Mit der Level-Anzeige am Router kann man zumindest verschiedene Adapter, Booster, Antennen usw. bezüglich Senden (zum Router) grob vergleichen. Und mit der Anzeige am Rechner kann bezüglich Empfangen grob Vergleichen.
Die mit den Leveln ermittelten Verhältnisse sind konsistent mit den obigen Tabellenwerten.


USB-Messungen

Bei USB-WLAN-Adaptern kann man zwar den Stromverbrauch einfach und schnell messen, schon mit billigen Geräten wie "CHARGER Doctor" für um 6 Euro von diversen Chinesischen Anbietern oder "USB Power Meter" von PortaPow, für um 30 Euro.
Die Leistungsaufnahme kann man grob auch ohne Messgerät bestimmen, sozusagen software-only, denn die meisten Notebooks, zumindest die mit Intel-Chipsatz, ermöglichen über die internen Sensoren eine Leistungsmessung. Dafür benötigt man 1.) das Programm PowerTop und 2.) Akkubetrieb, also Betrieb ohne Netzteil. Unter "Overview" zeigt PowerTop (zumindest unter Linux) die Entladeleistung des Akkus in Watt und mit einer Nachkommastelle an. Der angezeigte Wert schwankt, so dass man Mittelwertbildung betreiben muss, z. B. über zehn Werte, und die Genauigkeit liegt bei circa 0,3 W, zumindest für Leistungs-Differenzen wie Betrieb mit/ohne einen USB-Adapter und meinem Ultrabook (HP Spectre XT Touchsmart 15-4000eg).
Aber eine Messuung der Sendeleistung erreicht man darüber nicht, denn
a) wird nur ein Teil x vom Stromverbrauch zum Senden verwendet und
b) wird dieser Teil x nur mit dem Wirkungsgrad η in Sendeleistung umgesetzt.
Differenzmessungen helfen hier auch kaum weiter, weil x und η nicht konstant sind, beispielsweise von der Sendeleistung und der Temperatur abhängen.
Möglich sind aber Abschätzungen, beispielsweise eine Abschätzung nach oben, denn es kann maximal der gesamte Stromverbrauch (elektrische Leistung) in Sendeleistung umgesetzt werden.
Damit kann man grob überprüfen of ein Adapter tatsächlich mit 2 W sendet, aber nicht ob er mit 10 oder 100 mW sendet.



Links


Mini Howto of WiFi (power) tuning under Linux

Kurzanleitung zum Treiber-Tuning unter Linux

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